Инновации 23 декабря 2022

Свежая зелень из Антарктики

Ученые-агрофизики разработали технологию выращивания различных культур без грунта и под светодиодами, повторяющими солнечный спектр. Она одинаково подходит и для школьной столовой, и для полярной станции, и для поселения на Луне
Свежая зелень из Антарктики
Во время работы 65-й Российской антарктической экспедиции (РАЭ) на станции «Восток» выращивали разные сорта зеленных культур: петрушку, укроп, листовые капусты, амарант
Из личного архива Андрея Теплякова

Петербургские ученые из Агрофизического научно-исследовательского института создали технологию выращивания сельскохозяйственных культур в полностью контролируемых условиях — без грунта, с подачей к корневой системе питательных растворов и с использованием специально разработанных светильников на основе светодиодов, которые повторяют солнечный спектр. Малогабаритные встраиваемые в помещения фитотехкомплексы испытаны в лабораториях самого института, в нескольких учебных заведениях, на одной из полярных станций. В проект вовлечены такие фундаментальные научные структуры, как Всероссийский институт генетических ресурсов растений им. Н. И. Вавилова, Институт медико-биологических проблем и Арктический и антарктический НИИ Росгидромета. Начавшееся с 2016 года сотрудничество с Министерством обороны позволило добавить к разработке элемент безотходности.

Ученые уверены, что спектр применения технологии очень широк. Фитотехкомплексы могут быть установлены в жилых помещениях, в любых общественных столовых или кафе, на судах дальнего плавания, в арктических поселках, на космических станциях, где люди будут находиться подолгу. Поэтому они стремятся вывести технологию в формат массового производства.

Подсмотрели у природы

Взаимодействие «генотип — среда», где под генотипом имеется в виду любой живой организм: микроорганизм, водоросли, растения, человек, животные — стало предметом специального научного изучения в 1932 году. Для исследования физиологических особенностей роста растений в полностью контролируемых условиях академики Николай Вавилов и Абрам Иоффе создали новый Агрофизический научно-исследовательский институт. «Внешняя среда достаточно разнообразна, и есть различные стрессовые факторы биогенного характера — грибные, вирусные, бактериальные и прочие заболевания, вредоносные насекомые, — но биотические факторы не охватывают весь спектр внешних воздействий на генотип. Есть еще факторы физического характера — освещенность, температура, влажность, и так далее», — рассказал «Стимулу» директор Агрофизического научно-исследовательского института Юрий Чесноков, доктор биологических наук, член-корреспондент РАН.

Агрофизики страны, 65% территории которой лежит в зоне вечной мерзлоты, постоянно искали удобные способы снабжения качественными продуктами северных территорий. Бум смелых проектов освоения Арктики пришелся на 1930-е годы. А в 1932 году актуальность задачи подчеркнул поход советских полярников на ледокольном пароходе «Александр Сибиряков» по Северному морскому пути из Белого моря в Берингово за одну навигацию.

magnifier.png Для исследования физиологических особенностей роста растений в полностью контролируемых условиях академики Николай Вавилов и Абрам Иоффе создали новый Агрофизический научно-исследовательский институт

«Практическое применение своих изысканий институт искал и в северных регионах, — отметила в беседе со “Стимулом” Гаянэ Панова, заведующая отделом светофизиологии растений и биопродуктивности агроэкосистем Агрофизического научно-исследовательского института. — В советский период эти работы проводились с использованием тех ламп (галогенные лампы накаливания, дуговые ртутные, металлогалогенные и другие), которые производила наша промышленность, совмещая их с технологиями выращивания растений на разнообразных малообъемных субстратах».

В 1970‒1980-е годы появились ризотроны (установки для бессубстратного выращивания растений на тонкослойных аналогах почв, позволяющие исследователю видеть не только надземную часть растений, но и корневую систему). «Мы подсмотрели в Карелии как на скалах с максимум двух-трехсантиметровым слоем почвы растут деревья — сосна, береза, ольха. И смоделировали близкие к этому условия в лаборатории, только у нас здесь не дикорастущие деревья, а сельскохозяйственные культуры, — рассказала Гаянэ Панова. — Для опоры и питания корневой системы растений мы разработали конструкцию, сочетающую в себе три среды — твердую, жидкую и газообразную». Разработчики — сотрудники института, по словам нашей собеседницы, называют это панопоникой — системой, вобравшей в себя лучшее из всех «поник» — гидропоники, аэропоники и литопоники. Роль твердой среды, на которой располагаются и закрепляются корни, выполняет специальный тонкий гидрофильный материал, элемент гидропоники — жидкой среды — представлен подачей к корням растений специальных питательных растворов, а аэропоника представлена воздушной прослойкой, необходимой для дыхания корней. Такое сочетание различных сред исключает риск гипоксии и загнивания корней, как при использовании гидропонных технологий.

Состав питательных суспензий различается от культуры к культуре, спектральный состав искусственного света приближен к солнечному. Для этого используются светодиодные светильники, которые создали ученые Агрофизического института совместно с индустриальным партнером.

Набор специально разработанных питательных суспензий, светодиодных светильников со спектром, приближенным к солнечному, пространственное техническое решение — различного вида одно- и многоярусные стеллажи, вертикальные конструкции, способы регуляции условий воздушной среды в зоне роста растений и/или в вегетационном помещении — получил название фитотехкомплекс. С 2008 года ученые перешли от исследовательской фазы работ к поиску способов практического применения технологии.


ЧЕСНОКОВ.jpg
Директор Агрофизического научно-исследовательского института, доктор биологических наук, член-корреспондент РАН Юрий Чесноков под портретами основателей института - академиков Н.И.Вавилова и А.Ф.Иоффе
Наталия Михальченко

Вместе с армией

В 2016 году на форуме «Армия-2016» петербургские разработчики наладили контакты с продовольственным управлением Министерства обороны РФ. Военные высказали заинтересованность в применении технологии в воинских частях, но поставили условие: технология должна быть безотходной. «Мы это требование выполнили», — сообщила Гаянэ Панова. В результате, по ее словам, технология выиграла, хотя пока не удалось развернуть массовое производство для нужд армии, перейти барьер промышленного применения в союзе с военными. В продовольственном управлении Минобороны Агрофизическому институту предложили найти промышленного партнера для испытаний технологии в более крупных установках — контейнерного типа и ангарного типа.

Промышленный партнер был найден, но средств на испытания в нужном объеме изыскать не удалось. Гаянэ Панова пояснила, что при массовом производстве могут возникнуть нюансы, например, связанные с микроклиматом, которые невозможно учесть при работе с малогабаритными установками. Для испытаний фитотехкомплексов контейнерного и ангарного типов требуются средства в объеме более 10 млн рублей для каждого, а гранты, на которые институт сейчас ведет свои исследования в этом направлении, составляют от полутора до пяти миллионов рублей. И это тормозит масштабирование проекта.

На сегодняшний день технология существует в формате мини-фитотехкомплексов для жилых помещений, школьных столовых. Простоту в обращении со всеми элементами фитотехкомплекса разработчики обеспечили для того, чтобы технология была пригодна для применения неспециалистами.


ПОМИДОРЫ.jpg
Помидоры, которые выращиваются в фитотехкомплексах, намного лучше, чем магазинные и даже тех, что можно купить на рынках
Наталия Михальченко

Содружество исследовательских проектов

В 2019 году Агрофизический институт представил свою разработку на выставке Международного форума «Арктика — территория диалога». Разработка была подана в виде проекта арктических теплиц, или фитотехкомплексов, для круглогодичного безотходного производства растительной продукции высокого качества в непосредственной близости от потребителя вне зависимости от условий окружающей среды. Посетителям также показывали плодоносящие растения томата в мини-оранжерее.

На выставке проектом заинтересовался Евгений Ильин — полярник, участник 13-й Советской антарктической экспедиции, проходившей в 1967‒1969 годах, доктор медицинских наук, профессор, главный научный сотрудник Государственного научного центра России — Института медико-биологических проблем (ИМБП) РАН. Профессор Ильин предложил провести испытания технологии на антарктической станции «Восток». Для этого агрофизики с мая по сентябрь 2019 года разработали, изготовили и испытали на базе полигона АФИ оранжерею, отвечающую требованиям станции «Восток» по энергорасходам и габаритам. В конце сентября — начале октября в институте прошел стажировку полярник — участник 65-й Российской антарктической экспедиции Арктического и антарктического НИИ Андрей Тепляков, которому предстояло участвовать в экспедиции в качестве магнитолога.

«Когда я пришел на стажировку, меня там угощали помидорками типа черри. Прямо килограммами мне их давали, и я их ел, никакой негативной реакции организма не было. До этого покупал подобные помидорки в разных магазинах — элитных, неэлитных — и каждый раз были от них какие-то неприятности вроде высыпаний на коже. Когда в Антарктиде их выращивали, тоже ел, и все ребята ели — все хорошо, никаких проблем нет, — поделился Андрей Тепляков. — Поэтому я ответственно заявляю: помидоры, которые мы выращивали, намного лучше, чем магазинные и даже чем те, что можно купить на рынках».

magnifier.png Фитотехкомплексы могут быть установлены в жилых помещениях, в любых общественных столовых или кафе, на судах дальнего плавания, в арктических поселках, на космических станциях, где люди будут находиться подолгу

В задачи магнитолога входит обслуживание обсерватории, измерение таких параметров магнитного поля, как магнитное склонение и наклонение, обслуживание приборов, которые отслеживают ежесекундные вариации магнитного поля. Работой с фитотехкомплексом Андрей занимался в свободное от основной работы время. Комплекс установили в одной из больших комнат в жилом доме на станции «Восток». Сам жилой дом — уникальное сооружение. Его габариты примерно 50 на 15 метров, высота потолков по два-три метра, а над крышей находится двух-трехметровый слой снега. Когда-то дом стоял над поверхностью, но его постепенно заметало и наконец замело по самую крышу и даже выше. Чтобы попасть внутрь, необходимо пройти по лабиринту снежных тоннелей.

Комната Андрея — самая дальняя от главного входа, то есть фитотехкомплекс оказался на максимальном удалении от дверей, за которыми в холодное время года температура опускается до минус 80 градусов.

Андрей Тепляков рассказал «Стимулу», что монтируется фитотехкомплекс в течение двух дней. «Обслуживание установки требуется перед каждой вегетацией, на что нужен еще один целый рабочий день, — рассказывает он. — Обслуживание — это уборка и утилизация остатков (корни, листья, стволы, оставшийся раствор), промывка лотков, трубок и прочее, чтобы последующий эксперимент был “чистым”. Подготовка к новой вегетации занимает еще один-два дня. Она включает в себя заготовку воды — надо растопить куб снега, подготовку раствора, высев семян, настройку режима подачи раствора». Затем, после запуска установки, нужно отслеживать всхожесть семян, включать свет, по мере роста растений менять световой режим в соответствии с технологией.

По словам нашего собеседника, во время работы 65-й Российской антарктической экспедиции (РАЭ) на станции «Восток» выращивали разные сорта зеленных культур: петрушку, укроп, листовые капусты, амарант. В 66-й РАЭ на этой же оранжерее успешно испытали вегетацию мелкоплодных томатов и перцев. В 67-й РАЭ продолжили набирать статистику вегетации растений томата, перца и зеленных овощных культур. «Все на станции пробовали и ели, и сейчас едят все виды зелени и плодовых овощей. Остатков в столовой не было, 50 процентов выращенного идет на стол, 50 процентов — на анализы (сушка, пакетирование, отправка в лабораторию Агрофизического института).


МАКЕТЫ.jpg
Макеты фитотехкомплексов для полярных станций
Наталия Михальченко

Гаянэ Панова рассказала, что во время 65-й РАЭ Андрею Теплякову удалось оптимизировать микроклимат в зоне роста растений и провести успешные испытания технологии тонкослойной панопоники в оранжерее (фитотехкомплексе). Было выращено 10 видов и 20 сортов овощных культур (капустные, салатные овощные культуры, амарант, листовая петрушка, укроп, базилик), проведено от 1 до 12 повторных вегетаций (посадок) с каждой культурой. «Судя по данным производительности оранжереи в расчете килограмм на квадратный метр за год, испытуемая технология позволяет в условиях антарктической станции “Восток” получать урожаи большинства выращиваемых культур, равные или существенно (в 1,3‒2 раза) превышающие таковые в современных тепличных комплексах, использующих зарубежные гидропонные технологии с искусственной досветкой и регулируемые условия микроклимата», — резюмировала Гаянэ Панова. От зарубежных аналогов, например японских, комплекс отличается качеством получаемой продукции, в первую очередь сбалансированностью микроэлементного состава и низким содержанием нитратов, полностью соответствующим санитарно-гигиеническим нормативам РФ.

После первого года испытаний ученые и полярники увидели возможности для усовершенствования фитотехкомплекса. «После модернизации конструкции оранжереи урожайность растений во время работы 66-й и 67-й Российских антарктических экспедиций заметно возросла и практически не уступала урожайности на аналогичном полигоне в самом институте. При этом условия на станции “Восток” — самые неблагоприятные из возможных на Земле. На признанном полюсе холода температура зимой (в июле‒августе) часто опускается до минус 80 градусов Цельсия. Летом 1983 года советские ученые зафиксировали там температурный минимум для планеты Земля — минус 89,2 градуса по Цельсию. Но еще страшнее предельная сухость воздуха. Влажность воздуха на станции составляет 18‒25 процентов, что тяжело для человека, а для растений тем более — им требуется влажность 60‒70 процентов. Также там наблюдаются перепады атмосферного давления и магнитного поля. Поэтому растения, испытанные на “Востоке”, прошли настолько неблагоприятные условия, что по этому показателю, наверное, могут быть занесены в книгу рекордов Гиннеса и с высокой вероятностью выдержат любые другие условия на Земле.

Сейчас Андрей Тепляков снова находится на пути в Антарктиду на борту Научно-исследовательского судна «Академик Федоров». В Петербурге на судно был погружен второй фитотехкомплекс для станции «Восток». Он предназначен для выращивания огурцов и арбузов. «Для нашего нового эксперимента выбраны лучшие отечественные и некоторые зарубежные сорта высокопродуктивных и скороспелых арбузов и огурцов», — рассказала Гаянэ Панова. По ее словам, вкусовые качества выращенных на полюсе холода арбузов должны соответствовать знаменитым астраханским арбузам, растущим под южным солнцем.

15 ноября НИС «Академик Федоров» с топливом, продовольствием, стройматериалами и научными грузами на борту вышло из порта Санкт-Петербург, дав старт 68-й Российской антарктической экспедиции. От привычного для таких рейсов захода в немецкий порт Бремерхафен в этом году решено было отказаться. В середине декабря судно зашло в порт Кейптауна и 15 декабря взяло курс на береговую российскую антарктическую станцию «Прогресс». Во время стоянки в Кейптауне была устойчивая связь, и «Стимулу» удалось поговорить с Андреем Тепляковым.

Он рассказал, что к берегам Антарктиды судно должно подойти в районе 1 января. После погрузочно-разгрузочных работ примерно в середине января к станции «Восток» двинется санно-гусеничный поезд. По словам Андрея, такой способ добираться до станции «Восток» лучше тем, что за две-три недели пути человеческий организм адаптируется к экстремальным климатическим условиям Центральной Антарктиды постепенно. Если лететь на самолете, смена климата происходит резко и адаптация происходит уже на станции.

Сразу по прибытии на станцию новый фитотехкомплекс разворачивать не будут. Это запланировано на март, когда сезонный состав 68-й РАЭ покинет станцию и людей в жилом доме станет поменьше, а времени для экспериментов — побольше. Для выращивания арбузов и огурцов до зрелости требуется около двух месяцев. «По нашему плану, к началу мая на станции “Восток” созреют первые антарктические арбузы», — надеется Гаянэ Панова.


АРБУЗЫ.jpg
Вкусовые качества выращенных на полюсе холода арбузов должны соответствовать знаменитым астраханским арбузам, растущим под южным солнцем
Наталия Михальченко

Эксперимент на станции «Восток» состоит из двух частей. Одновременно запускаются две оранжереи-фитотехкомплекса, абсолютно идентичных по составу культур, техническим условиям, габаритам установки и срокам выращивания: одна на станции, другая — в Агрофизическом институте. Растения измеряются и изучаются в процессе роста, а получаемая растительная продукция взвешиваются по окончании каждой вегетации. После сбора урожая одну его половину используют как пищу, вторая исследуется на предмет качества и безопасности.

Институт медико-биологических проблем РАН (ИМБП), «подруживший» два петербургских института — АФИ и ААНИИ — тоже не остался в роли наблюдателя. Вместе с коллегами из Агрофизического и Арктического и антарктического институтов ученые ИМБП изучают психологический аспект взаимодействия человека и растения в условиях станции «Восток». «Мы анкетируем участников эксперимента по выращиванию растений на станции “Восток” и сравниваем данные с другими нашими экспериментами в условиях изоляции — в космосе или же в специально смоделированных условиях на Земле. Везде мы видим очень высокую заинтересованность в контакте с растениями — и у полярников на станции “Восток”, и у космонавтов на МКС, и у испытателей», — рассказала «Стимулу» Маргарита Левинских, ученый секретарь Института медико-биологических проблем. Именно этот институт организовал десятки экспериментов по выращиванию растений на орбите по собственным технологиям и ряд изоляционных экспериментов по адаптации человека к жизни в замкнутом пространстве, имитирующем дальние космические полеты. Анализируя итоги исследований, Маргарита Левинских сделала вывод, что выращивание растений в экстремальных условиях выполняет роль средства психологической разгрузки для космонавтов и полярников.

Перспективная цель трехлетнего научного содружества ученых Агрофизического института с ААНИИ и ИМБП — отбор подходящих растений и разработка технологий, необходимых для длительного поддержания жизнедеятельности человека во время дальних космических экспедиций, например, при создании лунной базы и полетов к другим планетам Солнечной системы. По словам Маргариты Левинских, такой отбор уже прошли листовые зеленные культуры, томаты, перцы и морковь.

На Международной космической станции провести такой эксперимент нельзя. Получать товарную овощную продукцию, пригодную для питания, на МКС мешает строгая лимитация пространства и электроэнергии. Растения там выращивают, но площади крошечные, с четверть стола.

Растения, уже испытанные на станции «Восток», пополняют реестр перспективных культур для выращивания в фитотехкомплексах в будущем, в том числе при полетах в дальний космос.

Параллельные эксперименты АФИ ведет и с Всероссийским институтом генетических ресурсов растений им. Н. И. Вавилова (ВИР). Для ученых ВИР сотрудничество с коллегами из Агрофизического института дает возможность изучать физиологическую реакцию и хозяйственно ценные свойства растений и вести селекционный процесс в ускоренном режиме.

magnifier.png В продовольственном управлении Минобороны Агрофизическому институту предложили найти промышленного партнера для испытаний технологии в более крупных установках — контейнерного типа и ангарного типа. Промышленный партнер был найден, но средств на испытания в нужном объеме изыскать не удалось

Отдел генетических ресурсов овощных и бахчевых культур ВИР ведет сравнительный анализ роста и развития культур и конкретных генотипов (сортов, гибридов) в условиях поля и традиционных теплиц с одной стороны и в фитотехкомплексе (в полностью контролируемых условиях) — с другой. По словам руководителя отдела генетических ресурсов овощных и бахчевых культур Анны Артемьевой, фитотехкомплекс обладает рядом неоспоримых преимуществ: «За короткий период времени можно получить большой урожай высокого качества благодаря оптимальным условиям для произрастания растений». В фитотехкомплексе исключены все факторы, мешающие растениям: здесь нет вредителей, избытка или недостатка влаги, неоптимальной температуры и освещенности, условия можно поддерживать в одном и том же режиме круглый год и в результате снимать не один, а несколько урожаев в год. Так, по подсчетам Анны Артемьевой, салат в фитотехкомплексе вырастает не за 45‒60 дней, как в поле, а за 25‒28 дней и дает больший урожай с единицы площади. По зеленным культурам, таким как рукола или кресс-салат, по ее словам, можно получить до 20 урожаев в год, по огурцам — шесть-семь, по томатам — четыре-пять урожаев товарной продукции в год.

На данный момент число сортов, испытанных в фитотехкомплексе в рамках разных экспериментов, достигает тысячи. Практические эксперименты начинались с листовых овощных культур, мелкоплодных перцев и томатов. Для армии планировали выращивать огурцы, томаты, листовую петрушку, укроп и другие зеленные культуры. Затем добавили бобовые и бахчевые культуры, кукурузу. Арбуз и кукуруза требуют опыления, но и с этим ученые справились. Опыление проводят искусственным способом. В ближайших планах — отработка технологии выращивания лесных ягод: ежевики, черники, голубики. Гаянэ Панова говорит, что накопленный опыт позволяет утверждать: в фитотехкомплексе можно выращивать практически любую культуру, даже древесные культуры на ранних стадиях их развития.


АНОХИН И ПАНОВА.jpg
Гаянэ Панова, заведующая отделом светофизиологии растений и биопродуктивности агроэкосистем Агорофизического научно-исследовательского института показывает Андрею Анохину, заместителю председателя комитета Санкт-Петербурга по делам Арктики макеты фитотехкомплексов
Наталия Михальченко

Молодо-зелено

Помимо станции «Восток» мини-фитотехкомплексы установлены в нескольких учебных заведениях в Петербурге и Мурманске. В 116-й петербургской гимназии установка работает уже год. Школьники под руководством учителя биологии Анжелики Хорунжей выращивают кресс-салат и сравнивают параметры роста в установке и без нее. «В фитотехкомплексе получилось побыстрее», — сказала «Стимулу» Анжелика Хорунжая. Сейчас идет эксперимент в области нанотехнологий, экологический эксперимент, связанный с загрязнением растительных угодий нефтью. «В дальнейшем мы планируем вырастить стевию, чтобы можно было добавлять ее в блюда в школьной столовой вместо сахара. Если эксперимент получится, ребята попробуют доказать, что в сладкие блюда правильнее добавлять стевию, чем сахар», — говорит наша собеседница.

magnifier.png Перспективная цель трехлетнего научного содружества ученых Агрофизического института с ААНИИ и ИМБП — отбор подходящих растений, необходимых для длительного поддержания жизнедеятельности человека во время дальних космических экспедиций, например при создании лунной базы и полетов к другим планетам Солнечной системы

Своими силами в лабораториях Агрофизический институт может производить до 10 экспериментальных установок в год. Помощь в тиражировании проекта обещали в Смольном. В декабре в институте побывал заместитель председателя комитета Санкт-Петербурга по делам Арктики Андрей Анохин. Он сказал «Стимулу», что уверен: промышленные партнеры для тиражирования проекта до уровня товарного производства найдутся среди компаний, которые работают в Арктике.

Что касается Антарктиды, то, по мнению Андрея Теплякова, техническая возможность для развития проекта на российских антарктических станциях есть. До проекта Агрофизического института попыток выращивать что-то на станциях было много, но им, по мнению нашего собеседника, не хватало научного подхода. «Когда мы познакомились с разработкой Агрофизического института, то поняли: это серьезный подход. И нам стало интересно, — говорит Андрей Тепляков. — На каждой станции нужно 10 квадратных метров фитотехкомплексов, чтобы покрыть потребности каждого полярника в свежих овощах, фруктах и ягодах».

Темы: Инновации

Еще по теме:
20.06.2024
В России создали установку, с помощью которой можно экологичным способом получать различные виды топлива из пластиковых ...
31.05.2024
Рынок экзоскелетов для медицины и промышленности бурно растет. Десятки команд и компаний предлагают пока скорее прототип...
27.05.2024
Компания — национальный чемпион «Герофарм», лидер на российском рынке инсулинов, начинает клинические исследования новог...
20.05.2024
Британо-шведская фармкомпания AstraZeneca отозвала свою вакцину от COVID-19 из-за риска тромбоза. Но компания уже успела...
Наверх